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2017 Experiências em Ensino de Ciências V12, No. 1

CÉLULAS SOLARES: UMA ABORDAGEM EXPERIMENTAL NO ENSINO DE

ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÕES QUÍMICAS

Solar Cells: an experimental approach in teaching of atomic structure and chemical bonds

Elton Faria de Souza Lima [alchemistelton@hotmail.com]

Marciel Guimarães dos Santos [marciel.guimaraes@hotmail.com]

Gildiberto Mendonça de Oliveira [gil_mdo@hotmail.com]

Wesley Fernandes Vaz [wesleyfvaz@gmail.com]

Universidade Federal de Goiás – Regional Jataí

Rod. Br 364, Km 192 n. 3800, Parque Industrial. Jataí - GO

Fausto Oliveira Carvalho [faustocarvalho@gmail.com]

Instituto Federal de Goiás – Câmpus Jataí.

Rua Riachuelo, n. 2.090. Bairro Samuel Graham. Jataí - GO

Resumo

A realização de atividades experimentais contextualizadas no cotidiano do aluno pode ser uma

ferramenta eficaz para despertar o interesse dos alunos e facilitar a aprendizagem de conteúdos de

Química. Nesse sentido, este trabalho visou à montagem de uma célula solar caseira, utilizando-a

como tema gerador para as discussões de fontes de energia renováveis, energia solar e seus

impactos ambientais, como também proporcionar a compreensão dos conceitos de estrutura atômica

e a sua relação com as teorias de ligação química e propriedades físicas e químicas dos materiais. A

atividade foi realizada em uma Escola da Rede Estadual. O procedimento envolveu diálogo com os

alunos sobre fontes de energia; construção da célula solar; realização de testes e discussão dos

conceitos químicos abordados. Os resultados mostram que a prática experimental realizada se

mostrou uma ferramenta alternativa de auxílio para facilitar a compreensão dos conceitos de

estrutura atômica e ligações químicas.

Palavras-Chave: efeito fotovoltaico, célula solar, estrutura atômica.

Abstract

To perform experimental activities in the context of the students daily life can be an effective tool to

arouse their interest and facilitate the learning of Chemistry content. In this sense, this work aimed

to make up a homemade solar cell, using it as a theme generator for renewable energy sources

discussions, solar energy and its environmental impacts, as well as provide an understanding of the

atomic structure of concepts and their relationship with the theories of chemical bonding and

physical and chemical properties of the materials. The activity was held in a state school. The

procedure involved dialogue with students about energy sources; Construction of the solar cell;

testing and discussion of chemical concepts addressed. The results show that the practical

experiments carried out showed an alternative aid tool to facilitate understanding the concepts of

atomic structure and chemical bonds.

Keywords: photovoltaic effect, solar cell, atomic structure.

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2017 Experiências em Ensino de Ciências V12, No. 1

Introdução

Os problemas encontrados em situações reais do cotidiano geralmente não são passíveis de

serem abordados a partir de uma visão unilateral, sendo que o estudo das mesmas deve proporcionar

a articulação de várias áreas do conhecimento. Conforme propõe Chassot (2008), é necessário

buscar uma abordagem mais ampla transgredindo, assim, as fronteiras das disciplinas que formam a

ciência.

Nesse sentido, a Química deve ser ensinada a partir de uma temática que releve os aspectos

sócio-culturais, ambientais e econômicos no qual a mesma se insere expondo-a como construção

humana, instrumento de interpretação da realidade. Vale ressaltar que a temática deve se originar

nas relações dos homens com o mundo, a qual deve ser o ponto de partida para o processo de

construção por descoberta (Freire, 1996). Por emergirem do saber popular, os temas geradores são

extraídos da prática de vida dos educandos, substituem os conteúdos tradicionais e são buscados

através da pesquisa do universo vocabular. Para Maldaner (1999),

Não se trata de negar a possibilidade de aprender o conteúdo específico de Química, o fazer

químico, a capacidade técnica de fazer a ciência química avançar. Porém, aprender Química

é muito mais do que isto. É compreender a química como ciência que recria a natureza,

modifica-a e, com isso, o próprio homem (p. 290).

Para desenvolver essas capacidades nos alunos é necessário que os mesmos estejam

interessados e se sintam motivados a aprender. O conteúdo deve fazer sentido para o aluno, e ele

deve participar ativamente da aula, havendo espaço para que possa expor seus conhecimentos,

dúvidas e interpretações, fugindo do tradicional modelo de ensino transmissão-recepção que ignora

o conhecimento prévio dos alunos.

A experimentação funciona como uma ferramenta para despertar o interesse dos alunos nos

mais variados níveis de escolarização devido ao seu caráter motivador e lúdico, essencialmente

vinculado aos sentidos (Giordan, 1999). É com esse ponto de vista que se compreende a prática

experimental como parte importante do processo ensino-aprendizagem de ciências, pois se acredita

que a experimentação contextualizada possa ser uma alternativa para atrair a atenção dos

estudantes, por tornar mais significativa a aprendizagem de conceitos abstratos existentes na

química, por meio do estudo de uma problemática existente na vida dos mesmos.

Ao fazer um experimento, o aluno deve buscar no conhecimento de ciência as respostas

aos resultados obtidos. Porém, cabe ao professor intervir para que os conceitos de química sejam

utilizados corretamente, e de forma a não criar nos alunos uma perspectiva distorcida da ciência e

do saber cientifico.

Contudo, a realização de uma prática experimental não necessariamente denota indicar

uma teoria como verdadeira ou falsa, mas sim contribuir para a problematização de conceitos que se

deseja ensinar. É fundamental levar esse posicionamento às aulas experimentais capacitando os

estudantes a romperem com o paradigma da visão dogmática de ciência (Hodson, 1982; De Jong,

1998; Gil-Pérez et al., 2001).

Nesse ínterim, na busca pela redução dos impactos ambientais causados pelas tradicionais

fontes de combustíveis fósseis, as energias renováveis aparecem não somente como solução para

complementar as energias convencionais, mas para também responder de forma ecologicamente

correta às demandas de populações mais distantes sem acesso à energia. A atual realidade do

consumo de energia mundial apresenta uma necessidade cada vez maior de utilização de fontes

renováveis de energia (Brasil, 2008).

O crescente interesse da sociedade por questões ligadas à proteção do meio ambiente, da

preservação dos recursos energéticos e da procura de fontes menos poluentes, tem levado a uma

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2017 Experiências em Ensino de Ciências V12, No. 1

crescente utilização da energia solar como fonte alternativa de energia. A energia solar pode ser

convertida em energia elétrica, tão vital para o funcionamento de equipamentos essenciais na vida

contemporânea, por meio de um equipamento denominado célula fotovoltaica.

Os sistemas fotovoltaicos são cada vez mais comuns em nosso cotidiano e são empregados

como fonte de energia para equipamentos eletroeletrônicos, tais como as calculadoras eletrônicas,

relógios de pulso, satélites de comunicações, sistemas de telecomunicações, sistemas de

bombeamento de água, sistemas de iluminação, dispositivos sensores, sistemas de segurança e

vigilância remota etc. (Falcão, 2005; Gomes, 2009; Niedhardt, 2009; Pinheiro, 2010).

As células fotovoltaicas são construídas a partir de substâncias semicondutoras. Os

semicondutores são sólidos cristalinos de condutividade intermediária entre condutores e isolantes.

Em escala comercial, a maioria destes é fabricada de silício, devido a três fatores principais: baixa

toxidade, elevada abundância e possuir uma tecnologia consolidada devido sua ampla utilização na

indústria da microeletrônica (Lee, 1999; Peixoto, 2001; Brasil, 2008).

Um átomo de Si tem 4 elétrons de valência, os quais para formar cristais do mesmo

elemento dispõem-se simetricamente de tal forma que compartilham os seus elétrons com outros 4

átomos mediante ligações covalentes. A ligação covalente é um tipo de ligação química

caracterizada pelo compartilhamento de um ou mais pares de elétrons entre átomos, causando uma

atração mútua entre eles, que mantêm a molécula resultante unida. Segundo a teoria de Lewis que é

bastante útil para descrever qualitativamente a formação das ligações químicas, sobretudo para

elementos leves, embora apresente várias exceções, os átomos tendem a compartilhar elétrons de

maneira a buscar atingir a configuração eletrônica de gases nobres (Toma, 1997; Lee, 1999; Shriver

& Atkins, 2006).

Contudo, quando se faz necessário discutir questões energéticas, geometrias ou aspectos de

natureza espectroscópica, como é o caso da formação de corrente elétrica através do efeito

fotovoltaico na célula solar de silício, torna-se necessário lançar mão de teorias quânticas que

enfocam a ligação química em termos da combinação de orbitais. Esse tipo de abordagem exige o

ensino do modelo quântico para o átomo, e considera que quando dois átomos se ligam, o

compartilhamento eletrônico se dá pela combinação dos orbitais que estão interagindo (Chassot,

1996; Toma, 1997).

O uso de orbitais na descrição de estruturas, ligações e propriedades é generalizado nos

cursos de química no ensino superior; contudo, a transposição para o ensino médio ainda requer

cuidados. De fato, o aluno passará a ter necessidade de modelos quânticos (orbitais) quando a

descrição dos compostos e materiais se basear na distribuição espacial dos átomos e elétrons e na

dinâmica das transformações. Na teoria dos orbitais moleculares (TOM) dois orbitais atômicos

podem representados pelas funções de onda A e B. O resultado dessa combinação é a formação de

novos orbitais estendidos sobre os dois átomos, denominados orbitais moleculares (Toma, 1997;

Shriver & Atkins, 2006).

De modo geral, um orbital molecular de uma molécula AB (isto é, AB) pode ser descrito por

uma combinação linear (soma ou diferença) dos orbitais atômicos localizados em A e em B,

respectivamente (AB = CaA ± CbB). Ou seja, a teoria TOM considera que os orbitais atômicos

(AOs) do nível de valência, deixam de existir quando a molécula se forma, sendo substituídos por

um novo conjunto de níveis energéticos que correspondem a novas distribuições da nuvem

eletrônica (densidade de probabilidade). A combinação dos orbitais atômicos dará origem a dois

novos conjuntos de orbitais um de menor energia do que o AOs isolados denominado orbital

molecular ligante (OML) e outro de maior energia do os AOs denominado orbital molecular

antiligante (OMA) (Toma, 1997; Lee, 1999; Shriver & Atkins, 2006).

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2017 Experiências em Ensino de Ciências V12, No. 1

A combinação dos dois orbitais pode ocorrer em proporções variáveis, expressas pelos

coeficientes Ca e Cb. Quando os orbitais são equivalentes, como é o caso dos orbitais 1s na molécula

de H2, esses coeficientes são iguais, isto é, Ca = Cb . Esses coeficientes diferem cada vez mais à

medida que acresce a diferença de energia entre os orbitais. Quando Ca >> Cb , a participação do A

é dominante e o orbital molecular AB se assemelha a A e vice-versa. Isso equivale a dizer que os

elétrons não são compartilhados equitativamente, podendo ficar a maior parte do tempo em A ou

em B, dependendo dos valores relativos de Ca e Cb . Isso está relacionado com a diferença de

eletronegatividade entre os elementos (Toma, 1997; Shriver & Atkins, 2006).

Desta forma, como os átomos mais eletronegativos possuem orbitais em níveis energéticos

mais baixos pode se afirmar que contribuem mais para formação do OML’s e os átomos menos

eletronegativos possuem orbitais atômicos em níveis energéticos mais elevados consequentemente

contribuem para a formação dos OMA’s. Como o OML formado possui menor energia do que os

orbitais atômicos dos átomos isolados, seu preenchimento confere uma estabilização ao sistema.

Quando colocamos elétrons nos OMA’s, diminuímos essa estabilização. A combinação por soma

(OML) leva a um reforço na densidade eletrônica entre os núcleos, de modo que os elétrons possam

promover uma aproximação dos mesmos, resultando em uma ligação. Por outro lado, a combinação

por diferença (OMA) desloca a densidade eletrônica da região internuclear para as extremidades

opostas, deixando os núcleos atômicos expostos a uma interação fortemente repulsiva. A ocupação

desse orbital por elétrons favorece a quebra da ligação (dissociação) (Lee, 1999; Shriver & Atkins,

2006).

A estabilidade de uma ligação segundo a TOM pode ser entendida a partir da ordem de

ligação (b). Essa pode ser calculada para uma molécula segundo a formula b=1/2(n-n*). Nessa

formula n representa o número de elétrons existentes em OML e n* o número de elétrons existentes

em OMA. As ordens de ligação em cristais de silício puro são tais que suas ligações covalentes

podem ser quebradas por energias superiores a 1,1 eV, correspondentes ao poço de energia

potencial do Si. Assim, os elétrons liberados mediante este processo podem ser acelerados na

presença de campos elétricos no interior do cristal, e no seu lugar deixar “Buracos” de cargas

positivas. Além disso, elétrons vizinhos podem deixar suas ligações pelo mesmo processo e ocupar

estes “buracos”, desta maneira, elétrons e “buracos” se movimentam através do cristal. Isto é

chamado de Efeito Fotocondutivo (Greacen, 1991; Shriver & Atkins, 2006; Carvalho & Calvete,

2010).

Para se entender como os elétrons podem se movimentar no interior de um cristal de silício

sobre ação da luz solar, pode-se utilizar uma abordagem ampliada da TOM para explicar as

estruturas e propriedades de metais e semicondutores. Essa abordagem é conhecida como teoria das

bandas. Na teoria das bandas, as propriedades elétricas dos condutores metálicos, dos

semicondutores e dos isolantes são explicadas tratando-os como enormes moléculas e supondo que

seus elétrons de valência ocupam orbitais moleculares que se espalham por todo o sólido. Os N

orbitais atômicos dos átomos que constituem o sólido se combinam para formar N orbitais

moleculares, metade deste enorme número de orbitais serão ligantes. A outra metade será

antiligante (Atkins & Jones, 2006; Shriver & Atkins, 2006).

Os orbitais moleculares desses sólidos possuem energia próxima e se constituem em uma

banda. A banda vazia ou incompleta de orbitais moleculares é conhecida como banda de condução

(BC). A banda preenchida de elétrons é conhecida como banda de valência (BV). Nos metais BC e

BV são muito próximas em energia e a passagem de elétrons de um nível para outro é livre, assim

estes são bons condutores. Nos semicondutores há uma razoável diferença de energia entre BC e

BV de forma que apenas poucos elétrons conseguem saltar de BC para BV, assim semicondutores

possuem condutividade reduzida em relação aos metais (Lee, 1999; Shriver & Atkins, 2006).

Os isolantes possuem uma grande diferença de energia entre BC e BV, de forma que, é

necessário fornecer grande quantidade de energia para que um 1 elétron salte de BV para BC. Esse

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2017 Experiências em Ensino de Ciências V12, No. 1

é o fator que torna os isolantes incapazes de conduzir eletricidade. Conhecendo-se os conceitos da

condução elétrica em sólidos proposto pela teoria das bandas pode-se entender como o efeito

fotovoltaico possibilita a formação de energia elétrica na célula solar de silício (Atkins & Jones,

2006; Shriver & Atkins, 2006).

O efeito fotovoltaico é a criação de tensão elétrica ou de uma corrente elétrica

correspondente num material, após a sua exposição à luz. Embora ele esteja diretamente

relacionado com o efeito fotoelétrico, estes são processos distintos. No efeito fotoelétrico, os

elétrons são ejetados da superfície de um material após exposição à radiação com energia suficiente.

Por outro lado, no efeito fotovoltaico é diferente, pois os elétrons gerados são transferidos entre

bandas diferentes (i.e., das bandas de valência para bandas de condução) dentro do próprio material,

resultando no desenvolvimento de tensão elétrica entre dois elétrodos (Greacen, 1991; Lee, 1999;

Silva et al, 2004; Gomes, 2009; Carvalho & Calvete, 2010).

É importante ressaltar que o cristal de silício puro possui sua BV totalmente preenchida e

sua BC vazia. Nessa condição ele é um isolante e não pode conduzir corrente elétrica apreciável,

pois o intervalo de energia entre BC e BV é de 106 kJ mol-1. Por isso apenas poucos elétrons podem

ganhar energia térmica vibracional dos átomos em quantidade suficiente para serem promovidos de

BV para BC a temperatura ambiente. Para melhorar a condutividade dos semicondutores de silício

de uma maneira controlada, pode-se adicionar impurezas que atuam como agentes portadores de

carga, processo conhecido como dopagem (Lee, 1999).

Se são introduzidas impurezas no Si cristalino puro, por exemplo Fósforo P, que tem 5

elétrons de valência, 4 deles estarão em ligação com átomos do Si do cristal e um ficará fracamente

ligado. Este elétron, por efeitos térmicos ambientais, pode ser libertado na banda de condução do

cristal, uma vez que estes elétrons são dopados pela impureza, este semicondutor resultante

denomina-se semicondutor tipo n. De maneira análoga, se é introduzido no Si cristalino puro o Boro

B, que tem 3 elétrons de valência, fará falta um elétron para se ligar com um dos átomos de Si do

cristal, este “Buraco” se comporta como carga positiva, libertado na banda de valência do cristal.

Este semicondutor resultante denomina-se tipo p (Greacen, 1991, Lee, 1999; Carvalho & Calvete,

2010).

Uma célula solar à base do semicondutor silício pode ser montada a partir da utilização de

transistores de potência do tipo 2N3055 (dispositivo utilizado em alto-falantes), uma vez que estes

possuem uma pequena placa de silício dopado em seu interior com dimensões razoáveis para este

fim (Silva et al., 2004). O entendimento do funcionamento de uma célula solar envolve

fundamentalmente conhecimentos em química e física. Além disso, este tema permite inter-

relacionar questões econômicas e socioambientais, viabilidade geográfica e sua importância como

fonte de energia renovável no Brasil e no Mundo.

Portanto as células solares, como fonte alternativa de energia constituem uma temática que

pode ser utilizada como tema gerador interdisciplinar para o ensino de Química. A importância de

se trabalhar os conteúdos sobre estruturas atômicas e ligações químicas reside no fato de que a

natureza da ligação química está relacionada a estrutura eletrônica dos átomos, ela determina várias

propriedades macroscópicas das substâncias.

Assim, o propósito deste trabalho foi utilizar a montagem de uma célula solar caseira como

tema gerador, facilitador no processo de ensino-aprendizagem, na explicação de estrutura atômica e

a sua relação com as teorias de ligação química, estando estas relacionadas às propriedades físicas e

químicas dos materiais.

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2017 Experiências em Ensino de Ciências V12, No. 1

Aspectos Metodológicos

A proposta de experimentação foi aplicada numa turma de Ensino Médio de uma escola da

Rede Estadual de Ensino. Os executores da pesquisa optaram por assumir o papel de observadores

participantes e as atividades foram realizadas durante três aulas de 50 minutos cada. Para Lûdke &

André (1986), a observação participante aproxima o observador da perspectiva do sujeito e permite

descobrir aspectos novos de um problema.

Por meio da observação é possível analisar o ponto de vista daqueles que estão sendo

observados, sendo esta análise mais aprofundada, visto que permite uma compreensão mais

completa sobre o outro, nos demonstrando como ele vê, sente e percebe o seu próprio ambiente e

como constrói as suas próprias relações com este ambiente.

A coleta de dados foi realizada por meio de questionário e anotações no diário de campo

durante as atividades realizadas pelos autores. A opção pelo questionário se deu em virtude do

número de indivíduos a serem atingidos pela pesquisa, além da vantagem de que “os respondentes

se sentirem mais confiantes, dado o anonimato, o que possibilita coletar informações e respostas

mais reais” (Cervo & Bervian, 2002). Nos questionários fez-se uso tanto de questões fechadas, para

a coleta de informações que requerem dados mais preciosos, como de questões abertas, que nos

fornecem informações mais ricas e variadas em seu conteúdo.

Para compreensão dos elementos coletados, responder às questões estabelecidas e ampliar

o conhecimento sobre o assunto pesquisado, é que se utilizou uma abordagem qualitativa descritiva.

Essa abordagem possui com fonte direta de dados o ambiente natural, e tem por premissa buscar a

resolução de problemas melhorando as práticas por meio da observação, análise e descrições

objetivas (Lûdke & André, 1986). Assim, pode ser aplicado em aulas dialogadas, debates, imagens,

enfim, qualquer forma de comunicação, seja verbal ou não-verbal.

Como procedimento experimental foi proposto na primeira aula a fabricação de uma célula

solar caseira. Para isto, os alunos foram divididos em grupos de quatro pessoas, de forma que cada

grupo montasse uma célula solar. As células solares foram expostas ao Sol para se verificar seu

funcionamento por meio de um multímetro (medida da diferença de potencial gerada). Também,

utilizou-se a corrente elétrica produzida pela célula fotovoltaica para reduzir íons prata (I) de uma

solução previamente preparada, formando assim uma camada de prata sobre um eletrodo de

carbono em uma célula eletrolítica.

O transistor de potência 2N3055 utilizado é constituído por uma carcaça metálica externa e

internamente contém dois terminais de semicondutor de silício (pastilha de silício). Para a

montagem da célula fotovoltaica, primeiramente é necessária a retirada da superfície do invólucro

de metal, que nada mais é que uma blindagem externa usada para dissipar calor, expondo a pastilha

de silício e os contatos eletrônicos (Figuras 1 e 2).

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2017 Experiências em Ensino de Ciências V12, No. 1

Figura 1: Transistor com invólucro metálico Figura 2: Visão interna do transistor

Após a retirada do invólucro, é necessário testar, através de um voltímetro, todos os

componentes a serem utilizados para encontrar onde acontece a condução de energia.

Os transistores foram então fixados em uma capa de caderno através de furos realizados

com uma tesoura de ponta fina (Figura 3). A fixação tem finalidade de facilitar a exposição

simultânea de todas as superfícies semicondutoras de silício ao sol, no melhor ângulo possível.

Deve-se utilizar um conjunto de oito transistores para obter uma maior corrente elétrica e diferença

de potencial.

Figura 3: Transistores fixados em uma capa de caderno

O próximo passo foi efetuar as ligações elétricas. Para isto montou-se um circuito elétrico

simples, dividindo os oito transistores em dois grupos de quatro. Cada grupo de quatro foi ligado

em série (para aumentar a voltagem), como pode ser visualizado na Figura 4.

Figura 4: Transistores ligados em serie

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2017 Experiências em Ensino de Ciências V12, No. 1

Posteriormente, os dois circuitos, cada um com quatro transistores ligados em série, foram

ligados em paralelo para aumentar a corrente, formando o circuito demonstrado na Figura 5.

Figura 5: Ligação em paralelo entre dois grupos contendo quatro transistores cada em serie

Para testar a célula fotovoltaica foi conectado um multímetro aos terminais do circuito e

medida a diferença de potencial (V) e corrente elétrica (i).

Em uma última etapa do procedimento efetuou-se a conexão da célula fotovoltaica a um

sistema para eletrólise de uma solução de nitrato de prata. A célula eletrolítica (Figura 6a) foi

montada utilizando-se um tubo de ensaio e uma borracha de látex (tipo escolar) como tampa,

contendo dois furos para inserção dos eletrodos de grafite (grafite de lapiseira 1.6). Os furos na

tampa de borracha foram feitos com uma agulha. Uma alternativa à utilização do tubo é usar um

pequeno pote com tampa. Nesse caso é necessário apenas esquentar a agulha para abrir dois furos

na tampa do frasco com dimensões suficientes para que se possam inserir os eletrodos de grafite. A

Figura 6b representa a conexão da célula solar ao sistema para eletrólise da solução de nitrato de

prata.

Figura 6: (a) Sistema para eletrólise de uma solução de nitrato de prata e (b) célula solar conectada ao sistema de

eletrólise

Vale ressaltar, que o conteúdo em nível fenomenológico, que representa os fenômenos de

interesse da química, sejam eles diretamente concretos e visíveis ou não, foi abordado através da

verificação da voltagem da célula fotovoltaica com o multímetro e por meio da reação de redução

de íons prata (I) sobre carbono. O nível teórico, que representa as informações de natureza atômico-

molecular, foi abordado a partir da explicação de como se forma a corrente elétrica e a diferença de

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2017 Experiências em Ensino de Ciências V12, No. 1

potencial por meio do modelo de Rutherford-Bohr e por meio da explicação das teorias de ligação

química.

A visão representacional, que compreende informações referentes à linguagem química

como fórmulas, equações e representação de modelos, foi realizada seguindo a ordem de discussão:

estrutura atômica do silício; estabilidade dos elementos quando atingem configuração de gases

nobres; formação de ligações químicas (covalente, iônica e metálica); tipos de ligações químicas

presentes nos componentes da célula fotovoltaica e suas características; semicondutores e suas

propriedades; efeito fotovoltaico; voltagem e geração de corrente elétrica.

Resultados na Sala de Aula – As Vozes dos Alunos

A seguir, apresentam-se os resultados obtidos durante a realização do experimento. No

momento da discussão destes resultados, serão utilizadas as respostas mais frequentes e relevantes

obtidas durante a atividade.

Através de uma breve discussão observou-se que os alunos tinham conhecimento da

aplicabilidade das células solares, porém não sabiam como é o funcionamento das mesmas. Com

isso, propôs-se a montagem de uma célula solar, utilizando-se transistores de potência de alto-

falantes. Os alunos mostraram-se entusiasmados com relação à realização do experimento, o que

contribuiu para discussão dos tópicos de física e química relacionados ao tema.

Duas células foram montadas conforme proposto no procedimento experimental e ambas

geraram uma tensão média de aproximadamente 1,5 V, valor condizente com o esperado uma vez

que cada transistor utilizado gera aproximadamente 0,4 V.

Durante a determinação da voltagem gerada pela célula, foi questionado aos alunos se eles

tinham ideia da definição de célula solar. Nenhum aluno se manifestou para explicar completamente

o fenômeno, porém sabiam que este dispositivo utilizava a luz solar para gerar energia,

evidenciando o quanto o tema é atual na vida deles. Dentre as respostas obtidas, podemos citar:

“Célula solar converte energia solar em elétrica.”

“A luz solar transforma em energia elétrica na célula.”

Segundo Hodson (1994), permitir que os alunos exponham suas ideais a respeito dos

fenômenos estudados no trabalho experimental incita a ampliação de suas capacidades conceituais,

levando os estudantes a explorar, elaborar e supervisionar suas ideias, confrontando-as com a ideia

científica, somente desta forma as aulas práticas de ciências terão papel importante no

desenvolvimento cognitivo. Portanto, permitir que os estudantes pudessem manifestar seu

conhecimento prévio sobre assunto, para depois confrontar com a teoria, é uma maneira de

possibilitar que os alunos desenvolvam a capacidade de relacionar dados empíricos com referencial

teórico.

Para mostrar que realmente a célula fotovoltaica funcionava, ela foi utilizada para gerar

corrente elétrica para reduzir íons prata (I) de uma solução aquosa, formando prata metálica sobre

um eletrodo de carbono (grafite de lapiseira). Ademais, foi observada a dimensão psicológica da

experimentação no contexto social, ao induzir os alunos a formarem grupos para montarem a célula,

proporcionando a oportunidade dos mesmos aprenderem a cooperar entre si para atingir

determinado objetivo. Para Giordan (1999), experimentos que são estruturados em uma

problemática social, no caso deste trabalho a energia solar e elétrica, levam os alunos a aprenderem

a trabalhar em equipe, cria o espírito cooperativo, aprendem a argumentar, contestar e a respeitar as

diferenças. Os conteúdos científicos abordados dessa forma ganham uma dimensão social

fundamental para formação da cidadania.

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2017 Experiências em Ensino de Ciências V12, No. 1

A prática realizada se mostrou produtiva no sentido de despertar o interesse dos alunos

para entenderem os conceitos em química envolvidos na interpretação do funcionamento de uma

célula fotovoltaica. Pois, os alunos demonstraram interesse pela investigação do funcionamento da

célula solar e manifestaram habilidades cognitivas. Essas habilidades foram observadas na

elaboração de hipóteses para explicação dos fenômenos envolvidos na transformação de energia que

ocorre na célula.

Abaixo estão transcritas algumas falas dos alunos que evidência a aprendizagem dos

mesmos com relação aos conceitos de condução elétrica.

“A luz solar arranca elétrons deixando uma região com carga positiva isso provoca o

movimento de elétrons na célula para região de carga positiva gerando corrente elétrica”

“A capacidade do material permite o deslocamento de elétrons em um material é o que

permite a passagem de corrente elétrica”

Além disso, teve aluno que associou a experiência aplicada com outros fatos ocorridos no

seu cotidiano:

“Ah! Então e assim que funcionam aquelas placas que a gente vê em cimas das casas, que

usam para carregar baterias.”

As falas dos alunos demonstraram que os mesmos adquiriram algum conhecimento sobre

os aspectos do processo de geração de energia e condução de eletricidade pelos materiais, porém

essas respostas não explicam por completo os fenômenos observados. Neste sentido, coube ao

professor intervir mais uma vez para uso correto dos conceitos de química.

Ao final da terceira aula foi aplicado o questionário para analisar a aprendizagem dos

alunos. Analisou se as respostas foram corretas, classificando-as de acordo aos critérios: de forma

significativa; de forma parcial e não atingiu. A análise dos resultados das questões encontra-se na

Tabela 1.

Tabela 1: Percentual de alunos que acertaram as respostas das questões propostas

Questões Alunos que acertaram as respostas (%)

1

De forma significativa 50

De forma parcial 25

Não atingiu 25

2

De forma significativa 100

De forma parcial 0

Não atingiu 0

3

De forma significativa 75

De forma parcial 12,5

Não atingiu 12,5

4

De forma significativa 100

De forma parcial 0

Não atingiu 0

5

De forma significativa 100

De forma parcial 0

Não atingiu 0

A primeira questão, “como as células solares transformam a energia luminosa em energia

elétrica? Explique como ocorre a deposição da prata quando uma solução de seu sal é submetida a

uma fonte de energia elétrica?”: Os resultados deemonstram que 50% dos estudantes aproximaram

significativamente das respostas esperadas. Eles conseguiram argumentar como o efeito

76

2017 Experiências em Ensino de Ciências V12, No. 1

fotovoltaico desloca os elétrons da placa de silício promovendo a formação da corrente elétrica,

como se observa em algumas das respostas transcritas:

“A luz solar atinge a placa e retira elétrons da camada de valência, como o negativo foi

retirado forma regiões com excesso de carga positiva, que atrai outras cargas negativas

formando um movimento de elétrons que é a corrente elétrica”

“Ag+(aq) + e-

Ag(s)”

Um total de 25% dos alunos que acertaram parcialmente não responderam como as células

solares transformação a energia luminosa em energia elétrica. Apesar de 25% dos alunos não terem

respondido completamente a primeira questão, eles demonstraram uma evolução, tornando suas

ideias mais complexas do que as iniciais, pois quando questionados anteriormente sobre o

funcionamento da célula, responderam apenas:

“A luz solar forma energia elétrica na célula”

“O calor do sol faz formar energia elétrica”

“A luz solar transforma em energia elétrica na célula”

Eles posteriormente ampliaram suas respostas incluindo a ideia de elétrons, percebendo

que o papel da luz solar é de deslocar os elétrons da superfície da placa célula, como se observa nas

respostas a seguir:

“A luz solar incide na placa remove elétrons e forma a corrente”

“Quando a luz retira os elétrons forma-se energia elétrica”

“A luz do sol remove os elétrons do semicondutor e forma eletricidade”

Para amenizar essa situação, deve se dar ênfase no diálogo professor-aluno em sala de aula.

Para Hodson (1988), é importante não tentar impor significados aos alunos, para que o aluno se

aproprie de um conceito é necessário explicar sempre a partir do que o mesmo já sabe. Aprender é

um processo contínuo, no qual os aprendizes constroem e reconstroem os significados ativamente.

A segunda questão, “o efeito fotovoltaico remove elétrons dos átomos proporcionando a

formação de uma voltagem na célula. De qual região do átomo esses elétrons são removidos e por

quê?” foi respondida com 100% de êxito por todos os alunos, descrito nas respostas a seguir:

“Os elétrons são retirados pela luz da camada de Valencia porque ela é mais energética”

“Da última camada de valência, porque ela é a mais energética”

Na terceira questão, “de acordo a teoria de ligação metálica como ocorre à condução de

corrente elétrica? Quais tipos de materiais podem ser empregados como isolantes de corrente

elétrica, qual tipo de ligações eles fazem?”, 75% dos estudantes aproximaram-se da resposta

esperada, identificando como ocorre a condução de energia elétrica nos metais. E ainda citaram

corretamente materiais que podem ser utilizados como isolantes, conforme se observa as repostas

dadas por eles a seguir:

“Como (os elétrons) da última camada dos metais não estão muito presos eles se

movimentam por toda estrutura do material como uma nuvem, o plástico e a borracha são

isolantes, fazem ligações covalentes”

“A borracha, plástico eles possuem seus elétrons firmemente presos por isso não conduzem

corrente elétrica”

A quarta questão, “de acordo com o tipo de ligação química que os componentes da célula

(Transistores, Fios, Chapa Metálica, Suporte de borracha) fazem, classifique- os em isolantes,

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condutores, ou semicondutores?”, foi respondida com pleno êxito pelos alunos, sendo que todos

identificaram quais os componentes da célula que podem ser classificados como condutores,

semicondutores e isolantes.

“Capa de caderno isolante suporte”;

“Capa de caderno é isolante e também funciona como suporte para os transistores; já os fios

são os que conduzem eletricidade e sua função é ligar os transistores; a placa de Silício é

um semicondutor e converter energia solar em elétrica”

A última questão, “qual a importância da energia solar como fonte de energia

alternativa?”, também foi plenamente respondida, pois os alunos correlacionaram à necessidade da

utilização de energia solar como alternativa energética, por ser menos prejudicial ao meio ambiente

que as fontes tradicionais fósseis, tal como se verifica nas repostas a seguir:

“Para ajudar na redução da poluição meio ambiente, pela redução da emissão de gases

estufa.”

“Polui bem menos a natureza do que outras fontes ajudam a preservar o meio ambiente e

ainda é uma fonte renovável”

Ao final da aula alguns alunos realizaram comentários sobre o experimento:

“Olha professor eu jamais imaginava que isso funcionava assim, a gente não sabe para o

que serve a maioria das coisas que estudamos, seria mais legal se tivéssemos mais

experiências assim”

“Eu quero montar uma célula dessas lá em casa para mostrar para minha mãe, ela não vai

acreditar”

A fala dos alunos acima mostra como eles acharam a aula interessante por tornar tangível a

teoria, esta que muitas vezes parece tão distante de suas vidas. Para Castro & Aleixandre (2000),

esse é um ponto que deve nos levar a refletir sobre a necessidade da contextualização nas aulas de

ciências e como a experimentação pode ser uma maneira de aproximar o aluno do conhecimento,

desde que conduzida de forma coerente, sem tropeçar nos antiquados paradigmas do positivismo.

Vale ressaltar que durante o desenvolvimento da proposta, a principal dificuldade

encontrada foi o tempo necessário para que houvesse deposição de prata no grafite, em quantidade

apreciável para ser observada. Outra dificuldade encontrada é grande dependência do experimento a

luz solar.

Os conceitos químicos de estrutura atômica e ligações são de alto grau de abstração e

complexidade, foi preciso especial cuidado na sua apresentação para evitar uma representação

meramente formal, sem uma preocupação mais conceitual, o que levaria à simples memorização de

ideias mal compreendidas.

Considerações Finais

A prática experimental realizada mostrou-se uma ferramenta alternativa de auxilio, para

facilitar a contextualização de conceitos abstratos na química contribuindo para a aprendizagem.

Portanto, a montagem de uma célula solar para explicação de modelo atômico relacionando-o com a

formação das ligações químicas indicou uma prática produtiva para desenvolver as capacidades

cognitivas dos estudantes. E assim, consequentemente capacitar os mesmo a analisar o mundo não

apenas a partir do senso comum mais também com olhar cientifico.

Foi observado durante a aula e a partir dos dados obtidos no questionário que os alguns

alunos tiveram dificuldade em assimilar os conceitos ministrados. Esses, mesmo após o final da

aula não compreenderam completamente os princípios envolvidos nas ligações covalentes iônicas e

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metálicas. Entretanto apresentaram evolução de suas ideias iniciais, tornando as mesmas mais ricas

e complexas e associadas a conceitos químicos e não mais apenas ao senso comum de início.

O importante para que aula atinja sua finalidade é que ao fim desta, os alunos enriqueçam

suas ideias, se apropriando do discurso da ciência. Os conceitos envolvidos nas ligações químicas e

estrutura atômica são abstratos e de difícil compreensão. E a prática realizada mostrou-se uma

alternativa para facilitar a compreensão desses conteúdos.

Além disso, o estudo das fontes energéticas proporcionou aos estudantes a compreensão da

importância da química no desenvolvimento de novas fontes de energia sustentáveis, favorecendo a

consciência sobre a preservação do meio ambiente.

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